摘要：采光顶在现代公共建筑设计中采用得非常多，且外形越来越新异，构造越来越复杂。通过对空间异形采光顶的特点进行分析，在支座、横梁、面板等方面针对采光顶的特点进行分析设计。
关键词：采光顶；空间异形；万向调节
引言
随着现在幕墙采光顶的造型多样化，特别是由多个三角形平面通过共点组成的多边形面来模拟不规则曲面的造型，给设计、加工和施工带来了很大挑战，当多边形面的大小和分格不同时，使组成多边形面的三角形的大小和内角都会有变化，而且当多边形面的空间方位不同时，会导致组成多边形面的各个三角形的空间方位不同，从而在三角形面间形成大小不同的空间角度。而传统的采光顶结构连接方式，无法实现用一种或者几种连接结构构件来适应三角形内角变化问题，导致连接结构构件种类的数量增多，增加工程成本；采用传统销轴连接方式，调节三角形面间形成的空间角度问题，会导致组成多边形面的三角形面无法交汇于一点，从而影响外观。
本文希望通过具体案例分析设计出一种经济可行的方案，实现自由曲面采光顶的多角度，不同形状结构的连接安装。
1具体案例模型分析
本文以一个马鞍形自由曲面的玻璃采光顶作为分析对象（如图1所示），对模型表皮及主体结构的特点进行分析，并针对其特点和规律作进一步的方案设计。
图1 采光顶表皮三维模型
1.1采光顶表皮模型
该采光顶采用多个三角形平面通过共点组成多边形面来模拟马鞍形自由曲面，三角形边线汇交为由折线连接而成的双向斜交曲线。
除边缘位置，每个玻璃边线交点处，都有六块玻璃相邻。但这六块玻璃的内角各不相同，且任何相邻的两块玻璃都不共面，形成向下凹或向上凸的空间夹角（如图2所示）。
图2 玻璃边线交点位置三维模型
1.2主体钢结构的特点
玻璃采光顶主体钢结构为马鞍形自由曲面双向斜交斜放单层大跨度网壳结构形式，最大跨度超过140米。整个钢结构共有5000多根非标准杆件和1500多个大小不同的节点组成蜂窝状钢结构。其中，节点为采用不同厚度钢板焊接而成的内外双层空心六棱柱。整个钢结构只有四边有铰接支座支撑，中间没有任何支点，在不同的荷载组合作用下，钢结构的变形量很大，且各节点的位移量和位移方向不同（如图3、图4、图5所示）。
图3 主体钢结构施工照片
图4 主体钢结构边部支座 图5 主体钢结构空心六棱柱节点
1.3主体钢结构与玻璃采光顶表皮的相对关系
整个钢结构上表面基本与玻璃采光顶表皮成平行关系。玻璃边线的交点在主体钢结构的垂直投影点，与六棱柱的上表皮中点基本重合。玻璃边线在主体钢结构的垂直投影线，基本与钢结构杆件重合。但是同一条玻璃边线两端交点到主体六棱柱的垂线不平行。
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2具体案例的方案设计
根据上述对钢结构与玻璃采光顶的特点和相对关系的描述，综合有以下6点：
（1）交点位置的六片玻璃内角各不相同；
（2）相邻两片三角形玻璃空间夹角各不相同；
（3）玻璃边线的交点到六棱柱表面的垂直投影点与六棱柱中点重合；
（4）玻璃边线在主体钢结构的垂直投影线，基本与钢结构杆件重合；
（5）同一条玻璃边线两端交点到主体六棱柱的垂线不平行；
（6）在不同的荷载组合作用下，每个主体钢结构节点的位移量和位移方向不同。
无论是玻璃幕墙还是玻璃采光顶，都是由面板与副框、主龙骨、连接主龙骨与主体结构的支座三大部分组成。基于上述特点，下面从支座、龙骨、面板与副框三方面进行分析设计。
2.1可调节球形支座的设计
支座在整个系统中起到连接采光顶与主体钢结构的关键作用。支座除了要支撑起采光顶和承受采光顶施加的荷载，以及适应各种荷载组合工况下主体钢结构和采光顶发生的相对位移，还要能适应主体钢结构的加工和施工安装偏差。
支座由三部分组成：底部的外螺纹圆管，上部的内螺纹套管，带销轴的耳板。如图所示。整个支座所有配件均采用316不锈钢材料，耐腐蚀性能高（如图6所示）。
图6 玻璃采光顶支座三维模型
工作原理：
底部的外螺纹圆管直接与主体钢结构焊接固定。理论上，支座位于主体六角棱柱的中心，并垂直于六棱柱上表面。实际安装时，支座按照模型理论位置安装，但钢结构施工总会存在偏差，这时需要根据测量数据将外螺纹圆管底部切角度，外螺纹圆管底部的中心也会与六棱柱上表面中心不重合。通过这种做法，支座可以调整主体钢结构带来的平面位置偏差及角度偏差。
上部的内螺纹套管和底部的外螺纹圆管通过调整螺纹的旋合长度，可以调整支座的安装高度。内螺纹套管上部的外表面，加工有成圆圈状的齿纹，并开有六个方形孔洞。耳板底部也加工成齿纹状，然后通过内六角头螺栓穿过耳板和方孔，和弧形板的螺纹旋合压紧。这样可以适应不同大小的玻璃内角，也能对每块玻璃的高度进行微调（如图7所示）。
图7 玻璃采光顶支座装配图
2.2组合横梁的设计
玻璃的荷载需要通过玻璃边部的横梁传递到支座。根据上面关于主体钢结构与玻璃采光顶表皮相对关系的描述，横梁两端的立柱其实不是平行的，而是存在空间夹角的。另外，横梁与支座之间的连接还要能适应钢结构和采光顶的各种相对位移和转动。
横梁两端设置两种不同的插芯：其中一端是工字型的铝插芯，插芯的一头用两颗螺栓穿过横梁固定，插芯的的另一头连接在支座耳板的销轴上；另外一端的插芯由两部组成，一个是外方内圆的插芯，同样用两颗螺栓穿过横梁固定，一个是十字型插芯，一头连接在支座耳板的销轴上，另一头插进外方内圆插芯中间，可实现转动和伸缩。这样就解决了上面提到的问题（如图8所示）。
图8 玻璃采光顶支座与铝横梁装配图
2.3玻璃边及玻璃副框的设计
由于任何两片相邻的玻璃均有大小不同的空间夹角，一般情况下，会采用玻璃飞边的做法，即内外片玻璃尺寸不一样，但由于每片玻璃的大小和角度均不同，玻璃和铝副框的加工难度极大。最后采用玻璃齐边，通过汇总分析玻璃的夹角，使用三款宽度不同铝副框实现。
玻璃存在不同的空间夹角导致玻璃面与横梁端面之间也存在不同的夹角。铝副框设计成带球头可转动的分离式副框，可满足工程中所需的各种角度。同时，副框和压块之间通过齿纹咬合，还可承受和传递玻璃的自重（如图9所示）。
图9 玻璃与铝副框、横梁安装图
玻璃采用的是双夹胶半钢化中空玻璃，玻璃的中空胶和与铝框粘接的胶均采用优质中性硅酮结构胶。玻璃破损时，碎裂玻璃依然可以有效粘接在铝框上，保证采光顶下面行人的安全。
玻璃采光顶宜采用隐框方式，可有效防止积灰积水和减少渗水的隐患。
3 结语
本文通过对自由曲面的玻璃采光顶进行分析，并针对自由曲面采光顶的特点设计出一套安全可靠、施工方便、经济合理的技术方案，为以后相似的项目提供了有益的借鉴和经验。
参考文献：
[1]郭建华.异形玻璃采光顶设计[J].建筑设计管理，2013（5）.
[2]张芹.建筑幕墙与采光顶设计实施手册[M].中国建筑工业出版社，2012.
论文作者:邱奕文
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/9/10
标签：采光论文; 玻璃论文; 支座论文; 钢结构论文; 主体论文; 棱柱论文; 角形论文; 《基层建设》2018年第20期论文;